汽车座椅动静态舒适性影响因素分析

从汽车座椅静态舒适性和动态舒适性及其相互关系入手，分析影响静态舒适性和动态舒适性的座椅设计参数，以及动静态舒适程度与这些座椅设计参数之间的相关性关系或函数关系，为汽车座椅舒适性提升的研究提供了参考。

随着国内汽车消费的升级，汽车舒适性逐步成为各主机厂研究的重要内容。座椅作为驾乘人员与车辆直接接触的部件，其舒适性成为整车舒适性的关键组成部分。汽车座椅舒适性包括两个方面的内容，分别是静态舒适性和动态舒适性。静态舒适性指的是座椅的造型、骨架、发泡、面料以及缝合工艺等因素影响下的座椅舒适性，而动态舒适性一方面指的是在一定激励条件下，特别是长时驾乘时，座椅本身对振动衰减的能力影响的座椅舒适性，另一方面指的是座椅对于驾乘人员姿势的保持能力影响的座椅舒适性。

Mansfield等人研究发现，静态舒适性分析并不能全面地分析影响座椅舒适性的因素，所以仅仅使用静态分析评价座椅舒适性是不够的；Porter等人的研究表明，短时评价不能全面地表征座椅舒适性，因为驾乘疲劳和长时驾乘也会对座椅舒适性评价有相当大的影响作用；Gyi和Porter等人推荐动态评价的时间为2 h，以便更准确地评价座椅的动态舒适性。

静态与动态之间的关系

汽车座椅舒适性受到四个方面因素的影响，分别是静态因素、动态因素、动态疲劳因素以及时间因素，如图1所示。其中，静态因素造成的座椅不舒适性是固定的，不随着振幅和时间的变化而变化；动态因素、动态疲劳因素以及时间因素造成的不舒适性与振幅和时间都呈正相关关系。

座椅舒适性截面决定了驾乘人员身体与座椅表面的贴合性以及身体部位是否能够得到有效的支撑。座椅舒适性截面的设计应充分考虑人体舒适坐姿，即人体在座椅上保持舒适坐姿时的关节角度参数。舒适坐姿角度定义如图4所示。表3为已有研究的舒适坐姿角度推荐范围。

发泡是影响座椅舒适性最关键的因素之一，而影响座椅静态舒适性的发泡性能参数见表4。

座椅发泡的硬度和静刚度两者共同对座椅的舒适性产生影响。在座椅发泡硬度不变的情况下，座椅舒适性与发泡静刚度呈现负相关的线性回归关系，即静刚度越大，舒适性越差；在发泡硬度变化差异较大的情况下，座椅舒适性与发泡静刚度呈现先上升后下降的回归关系，且静刚度越大的发泡造成的不舒适性大于静刚度小的发泡，如图5所示。

发泡的迟滞损失率代表了座椅泡沫吸收能量的能力，具体指的是在发泡加载和卸载的过程中，因为泡沫黏弹性特点，加载曲线和卸载曲线不完全重合。衡量发泡回弹性的一个方法是小球回弹试验，具体指钢球落下在泡沫表面反弹的高度和原始高度的一个比例。

发泡的迟滞损失率和回弹性存在负相关的关系，并呈现线性回归关系。发泡的迟滞损失率与座椅舒适性之间在一定范围之内呈现负相关的关系，即迟滞损失率越低，座椅的舒适性越高。体压分布是汽车座椅舒适性最直接的表征参数项。体压分布的差异并不完全来自于座椅的发泡，而是座椅众多性能的综合作用结果，本文这里只讨论发泡特性造成的体压差异对于舒适性的影响。发泡特性作用的体压分布引用了坐骨区域的平均圧力来表征。坐骨区域平均圧力与座椅舒适性之间的关系呈现负相关的线性回归关系，即平均圧力越大，舒适性越差。

动态舒适性影响因素

动态舒适性作为一种主观感受，是激励振幅的幂函数，如下所示：

ψ=κΦβ （1）

式中，ψ是不舒适感，Φ是激励振幅，κ是与测量单位相关的常数，β是与激励相关的幂指数。关于全身振动的舒适性幂指数β的取值，众多学者也进行研究，见表5。

从表5可以看出，幂指数的取值都接近于1，可以将座椅动态舒适性的不舒适感与激励之间的函数关系近似看成线性函数。

从汽车座椅系统动力学的角度分析，整个座椅系统可以简化成为一个单自由度模型，如图6所示。

整个系统的受力可以表示为：

W=S R P（2）式中，W为座椅上人体的重力；S为座椅系统变形恢复力；R为阻尼力；P为路面激励引起的额外的力；当变形很小，同时外力为正弦振荡时，恢复力为座椅系统垂直方向位移x的线性函数：

S=-kx（3）

式中，k为座椅系统的刚度系数。同时，阻尼力是速度ν的线性函数：

R=-Cν（4）

式中，C为座椅系统的阻尼系数。刚度系数和阻尼系数分别决定了座椅的共振频率和振动衰减特性。其中共振频率可以基于公式（2）计算得出：

（5）

在座椅系统共振频率附近，座椅振动传递率就上升并在共振频率处达到最值，同时振幅也达到了最值，这造成了驾乘人员的不舒适性。人体各个器官的共振频率范围不同，主要集中在4～8 Hz，如图7所示，因此座椅系统的刚度系数设计应保证其共振频率避开人体总体共振频率范围，同时阻尼系数设计应尽可能地衰减传递到人体的振幅。

结论

1）汽车座椅舒适性包括了静态和动态舒适性两个方面，且静态舒适性会对动态舒适性产生影响。静态舒适性是稳定不变的，而动态舒适性会随着时间、振幅等因素的变化而变化。

2）汽车座椅的静态舒适性的影响因素包括了造型、发泡和骨架，其中发泡对于舒适性的影响大。

造型最主要的两个组成部分：尺寸和截面的设计分别要考虑人体尺寸和舒适坐姿。发泡对于座椅舒适性影响的指标主要是硬度、静刚度、回弹性、迟滞损失率以及体压分布；

3）汽车座椅动态舒适程度与振幅呈近似的线性关系。座椅系统的刚度系数和阻尼系数分别影响了座椅的共振频率和衰减特性。

刚度和阻尼系数的设计应分别满足共振频率避开人体总体共振频率及尽可能地衰减振动的要求。